第六章-明渠均匀流ppt课件

明渠均匀流明渠均匀流第六章第六章明渠均匀流属于明渠水流的一种。明渠均匀流属于明渠水流的一种。明渠水流明渠水流 恒定流恒定流 非恒定流非恒定流 非均匀流非均匀流 均匀流均匀流 流线为相互流线为相互平行的直线平行的直线表面相对压强为表面相对压强为零，为无压流零，为无压流运动要素不运动要素不随时间变化随时间变化第一节第一节 概述概述第二节第二节 明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的计算公式第三节第三节 明渠水力最优断面和允许流速明渠水力最优断面和允许流速第四节第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流水力计算的基本问题第五节第五节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算第六节第六节 复式断面渠道的水力计算复式断面渠道的水力计算本章纲要:垂直于渠道中心线作铅垂面与垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线组成的渠底及渠壁的交线组成的断面断面 主槽滩地梯形断面河道断面矩形断面2.2.反映断面的形状特征值称为反映断面的形状特征值称为断面水力要素断面水力要素。bh1mB底宽底宽水深边坡系数水面宽水面宽2Bbmh过水断面面积过水断面面积()Abmh h湿周湿周221bhm水力半径水力半径2()R21Abmh hbhm断面形状、尺寸及底坡沿程不断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道，称变，同时又无弯曲的渠道，称为为棱柱体渠道棱柱体渠道。断面形状、尺寸或底坡沿程改断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为变的渠道，称为非棱柱体渠道非棱柱体渠道。棱柱体棱柱体非棱柱体2 23 311223311第一节第一节 概述概述一、基本概念一、基本概念1.明渠的横断面明渠的横断面3.3.明明渠的底坡渠的底坡明渠渠底纵向（沿水流明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为方向）倾斜的程度称为底坡底坡。以以i i表示。表示。底坡线水面线水面线底坡线底坡线i 0顺坡、正坡顺坡、正坡 i i等于渠底线与水平线夹角等于渠底线与水平线夹角的正弦，即的正弦，即i=sini=sin。i=0平坡平坡 i 0逆坡、负逆坡、负坡坡 顺坡（或正坡）明渠顺坡（或正坡）明渠按底坡分类：按底坡分类：平坡明渠平坡明渠 逆坡（或负坡）明渠逆坡（或负坡）明渠第一节第一节 概述概述基本概念基本概念通常i0.01，可以采用近似处理：1.1.过水断面可由水流中所取过水断面可由水流中所取的铅垂断面代替；的铅垂断面代替；2.2.两断面间的距离可由水平两断面间的距离可由水平投影长度来代替。投影长度来代替。明渠总结明渠总结明渠明渠 沿程断面形状尺寸是否变化 非棱柱非棱柱形渠道形渠道 棱柱形棱柱形渠道渠道)(hf)s,(hf底坡i=sin顺坡顺坡 平坡平坡 逆坡逆坡 i0过水断面面积过水断面面积只与水深有关只与水深有关过水断面面过水断面面积与水深、积与水深、位置有关位置有关断面形断面形状多样状多样第一节第一节 概述概述基本概念基本概念第一节第一节 概述概述二、明渠均匀流的特征二、明渠均匀流的特征水力特征水力特征 几何角度几何角度 运动学角度运动学角度 能量角度能量角度 质点做等速质点做等速直线运动直线运动（均匀流）（均匀流）力学角度力学角度 概述概述二、明渠均匀流的特二、明渠均匀流的特征征几何特征几何特征gv2211总水头线总水头线水面线水面线(侧压管水头侧压管水头)底面坡度底面坡度几何特征：几何特征：三线平行三线平行v概述概述1z二、明渠均匀流的特征二、明渠均匀流的特征fhgvzgvz2222222111能量特征：对于单位重量液体，重力功能量特征：对于单位重量液体，重力功=阻力功阻力功 fhz 11222zz能量特征能量特征00根据能量关系：根据能量关系：第一节第一节 概述概述三、明渠均匀流产生的条件三、明渠均匀流产生的条件 1、水流应为恒定流。水流应为恒定流。4、渠中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。渠中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。2、流量沿程不变，即无支流的汇入或分出。流量沿程不变，即无支流的汇入或分出。3、渠道必须是长而直的棱柱形顺坡明渠，且渠道必须是长而直的棱柱形顺坡明渠，且i、n沿程不变。沿程不变。严格满足以上条件的渠道不存在，作近似处理。严格满足以上条件的渠道不存在，作近似处理。第一节第一节 概述概述1、顺直棱柱形渠道中的恒定流：当流量沿程不、顺直棱柱形渠道中的恒定流：当流量沿程不变时，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、变时，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、出口或建筑物一定距离的渠段，实际上常按均匀出口或建筑物一定距离的渠段，实际上常按均匀流处理。流处理。说明：说明：2、天然河道：因其断面形状尺寸、底坡、粗糙、天然河道：因其断面形状尺寸、底坡、粗糙系数一般均沿程改变，所以不会产生均匀流。但系数一般均沿程改变，所以不会产生均匀流。但对于较为顺直、整齐的河段，当其余条件比较接对于较为顺直、整齐的河段，当其余条件比较接近时，也常按均匀流公式作近似计算。近时，也常按均匀流公式作近似计算。第二节第二节 明渠均匀流的基本计算公式明渠均匀流的基本计算公式谢才公式谢才公式vQ RiCv 基基本本计计算算公公式式连续性方程连续性方程RiCQRCK令iKQ 流量模数：流量模数：当断面形当断面形状尺寸、状尺寸、n值一定时，值一定时，K=f(h)；均匀流水深均匀流水深叫正常水深，用叫正常水深，用h0表表示。示。断面面积断面面积(m2)注：通常谈到的某一渠道注：通常谈到的某一渠道的输水或排水能力时，指的输水或排水能力时，指的是在一定正常水深的是在一定正常水深h0时时所通过的流量所通过的流量Q。第二节第二节 明渠均匀流的基本计算公式明渠均匀流的基本计算公式R谢才公式谢才公式RiCv 断面平均断面平均流速流速(m/s)谢才系数(m1/2/s)曼宁公式水力半径水力半径(m)RJCv J=i谢才公式谢才公式巴氏公式611Rnc yRnc1适用范围适用范围:R0.5m且n0.02适用范围适用范围:0.1mR3m 且0.01ln0.04n：粗糙系数第二节第二节 明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的计算公式 1.若若n 值选的偏小，计算所得断面也偏小，值选的偏小，计算所得断面也偏小，易发生漫溢。易发生漫溢。粗糙系数n粗糙系数n 综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流的综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流的阻力作用。阻力作用。2.若若n值过大，不仅造成浪费还会因实际流值过大，不仅造成浪费还会因实际流速过大而造成冲刷。速过大而造成冲刷。第三节第三节 明渠水力最优断面和允许流速明渠水力最优断面和允许流速一、一、水力最优断面水力最优断面 1.定义定义2.条件条件3/22/13/521321niiRnRiCQ当当、i、n一定，必最小！当当i、n不变时，在断面积相等的各种断不变时，在断面积相等的各种断面形状中通过流量最大的那种断面形状面形状中通过流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。称为水力最优断面。要使Q最大。问题实质：问题实质：3.应用应用在明渠设计时：水力最优条件只是应考虑的因素在明渠设计时：水力最优条件只是应考虑的因素之一。实际中必须依据造价、施工技术、运转要之一。实际中必须依据造价、施工技术、运转要求和养护等各方面条件综合考虑和比较。求和养护等各方面条件综合考虑和比较。第三节第三节 明渠水力最优断面和允许流速明渠水力最优断面和允许流速 一一.水力最优断面水力最优断面 1、梯形水力最优断面计算、梯形水力最优断面计算问题本质？问题本质？确定适当的水深确定适当的水深h和渠底宽和渠底宽b，使断面流量使断面流量Q最大。最大。欲使断面流量欲使断面流量Q最大，即在最大，即在面积面积一定时，湿周最小。一定时，湿周最小。3/22/13/5niQ 第三节第三节 明渠水力最优断面和允许流速明渠水力最优断面和允许流速 一一.水力最优断面水力最优断面 212mhb边坡系数边坡系数m 水深水深h 渠底宽渠底宽b m=cota 梯形截面湿周计算梯形截面湿周计算hmhb)(m由边坡稳定性确定，由边坡稳定性确定，计算中计算中m一定一定断面面积断面面积 湿周湿周 bh1mB1、梯形水力最优断面计算、梯形水力最优断面计算断面参数断面参数 第三节第三节 明渠水力最优断面和允许流速明渠水力最优断面和允许流速212mhmhh一一.水力最优断面水力最优断面 212mhb断面断面参数参数 hmhb)(最小0022dhddhd)1(2)(2mmhb最优特殊地，矩形断面：特殊地，矩形断面：m=0；即；即b=h;bh1mB1、梯形水力最优断面计算、梯形水力最优断面计算第三节第三节 明渠水力最优断面和允许流速明渠水力最优断面和允许流速二、允许流速二、允许流速渠中流速过大会造成冲刷，过小形成淤积。渠中流速过大会造成冲刷，过小形成淤积。maxminvvvvmin：不淤允许流速。：不淤允许流速。v vmaxmax的大小决定于土质情况，即的大小决定于土质情况，即土壤种类、颗粒大小和密实程度，土壤种类、颗粒大小和密实程度，或决定于渠道的衬砌材料，以及或决定于渠道的衬砌材料，以及渠中流量等因素渠中流量等因素 v vminmin：为了防止植物在渠道中滋：为了防止植物在渠道中滋生、淤泥或沙的沉积，渠道中断生、淤泥或沙的沉积，渠道中断面平均流速分别不低于面平均流速分别不低于0.6m0.6ms s、0.2m0.2ms s或或0.4m0.4ms s。vmax：不冲允许流速。：不冲允许流速。第四节第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流水力计算的基本问题),(inmhbfRiCQ一、验算渠道过流能力一、验算渠道过流能力 二、计算渠道底坡二、计算渠道底坡 问题问题：已知已知b、h、m、n、i；求求Q计算依据：计算依据：计算类型：计算类型：方法：方法：问题问题：已知已知b、h、m、n、Q；求求i方法：方法：三、计算渠道断面尺寸三、计算渠道断面尺寸 问题问题：已知条件多样已知条件多样；求求h，b方法方法图解法图解法查图法查图法解方程组解方程组直接代公式。直接代公式。直接代公式。直接代公式。第四节第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流水力计算的基本问题1、已知、已知Q、h、m、n、i，求，求b(1)试算试算图解法：图解法：绘制绘制bQ曲线。曲线。(2)查图法：查图法：2.67hnK先计算出先计算出，查附表得出相应的查附表得出相应的h/b值，值，从而确定底宽从而确定底宽b。三、计算渠道断面尺寸三、计算渠道断面尺寸 b(m)Q(m3/s)0.0已知已知Q，Q已知 b求 根据曲线得出根据曲线得出b。),(inmhbfRiCQ第四节第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流水力计算的基本问题2、已知、已知Q、b、m、n、i，求，求h(1)试算试算图解法：图解法：绘制绘制hQ曲线。曲线。(2)查图法：查图法：2.67hnK先计算出先计算出，查附表得出相应的查附表得出相应的h/b值，值，从而确定底宽从而确定底宽h。三、计算渠道断面尺寸三、计算渠道断面尺寸 h(m)Q(m3/s)0.0已知已知Q，Q已知 h求 根据曲线得出根据曲线得出h。),(inmhbfRiCQ第四节第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流水力计算的基本问题三、计算渠道断面尺寸三、计算渠道断面尺寸 3、已知、已知Q、m、n、i、b/h，求，求b、h。(1)试算试算图解法：图解法：绘制绘制bQ曲线或曲线或hQ曲线。曲线。已知已知Q，根据曲线得出，根据曲线得出h或或b(2)查图法：查图法：【注】对于小型渠道，一般按水力最优设【注】对于小型渠道，一般按水力最优设计，即计，即b/h已知：已知：)1(2/2mmhb第四节第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流水力计算的基本问题三、计算渠道断面尺寸三、计算渠道断面尺寸 4、已知、已知Q、m、n、i、vmax求求b、h。maxvQRiCQ212)(mhbhmhb求解求解b和和h，舍掉一组不合理的解，舍掉一组不合理的解R联立：联立：计算方法：解方程组计算方法：解方程组 例：某梯形断面渠道例：某梯形断面渠道,已知流量已知流量Q=3m3/s，边坡系数，边坡系数m=1.0，底坡，底坡i=0.0049，粗糙系数，粗糙系数n=0.0225，底宽，底宽b=1m。求：均匀流动时的正常水深求：均匀流动时的正常水深h0（简称正常水深（简称正常水深h0）。）。解：根据谢才解：根据谢才满宁公式，并代入梯形断面水力要素，有满宁公式，并代入梯形断面水力要素，有21322322112)()(11imhbhmhbhmhbnRAinRiACQ设设h=0.5m，0.75m，1.0m，计算相应的，计算相应的Q值如下表值如下表h(m)0.5 0.75 1.0 Q(m3/s)1.07 2.29 4.03h(m)Q(m3/s)1.02.03.00.00.00.50.750.251.0从曲线上查得：当从曲线上查得：当Q=3m3/s时，时，h=0.86m。第四节第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流水力计算的基本问题三、计算渠道断面尺寸三、计算渠道断面尺寸 第五节第五节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算无压管道是指不满流的长管道，如下水管道。考虑到水力最优条件，无压管道常采用圆形的过水断面，在流量比较大时也采用非圆形的断面。下面仅讨论圆形断面的情况。第五节第五节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算一、水力要素一、水力要素 过水断面：过水断面：)sin(82d水力半径：水力半径：)sin1(4dR流速：流速：idCRiCv)sin1(2湿周：湿周：2ddhBr流量：流量：2132125)sin(16idCRiCQ充满度：充满度：4sin2dh第五节第五节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算二、水流特征二、水流特征无压短管无压短管水流水流 水流现象水流现象 计算方法计算方法 宽顶堰理论沿程水头损失比局部水头损失小得多1.无压短圆管水流无压短圆管水流 第五节第五节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算二、水流特征二、水流特征2、无压长圆管流、无压长圆管流无压长圆无压长圆管水流管水流 直径不变顺直管道：相当于明渠均匀流 流量：2132125)sin(16idCRiCQ=h/d=0.94，Q/Q0=1.087，达到最大值=h/d=0.81，v/v0=1.160，达到最大值v0和Q0分别是满流时的流速和流量。第五节第五节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算三、无压管道的计算问题三、无压管道的计算问题),(indfRiCn、公式Q=，一般预先确定。1、已知d、n、i，求Q 、n、Q，求i。2、已知d、可直接求解，具体应用时注意设计规范。、n、i、Q，求d。3、已知主要采用方法：断面分区计算法主要采用方法：断面分区计算法hhoQ132QA CR iQACRiQA CR iiQQ第六节第六节 复式断面渠道的水力计算复式断面渠道的水力计算再 见!返回返回